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圖為雙壁碳納米管管壁之間存在超潤滑的示意圖，該圖表示：從理論上講，無論碳納米管有多長，都可以用微小的力將其內(nèi)層從管中抽出。

　　超潤滑(superlubricity) 是20世紀(jì)90年代早期由日本學(xué)者平野元久(Motohisa Hirano)提出的，也稱結(jié)構(gòu)潤滑(structural lubricity)，它是指當(dāng)晶體表面以非公度形式接觸時，有可能出現(xiàn)界面摩擦和磨損幾乎為零的現(xiàn)象。過去二十年中所發(fā)現(xiàn)的超潤滑現(xiàn)象主要是在納米尺度和高真空條件下實現(xiàn)的，實現(xiàn)宏觀尺度上的超潤滑不僅要求固體表面具有超高的模量，而且要求在宏觀尺度上原子級平整，無缺陷與位錯，如此苛刻的條件使得人們普遍認(rèn)為大尺度下幾乎不可能實現(xiàn)超潤滑。

　　碳納米管從結(jié)構(gòu)上看是由石墨烯卷曲而成，由于石墨烯層間只有微弱的范德華力，所以多壁碳納米管的管壁之間很容易發(fā)生相對滑動；另外，碳納米管的內(nèi)外管壁之間的手性結(jié)構(gòu)是相互獨立的，通常以非公度形式接觸，這為管壁之間的超潤滑提供了條件。然而，理論研究表明，當(dāng)碳納米管存在哪怕只有一個原子級別的缺陷時，其管壁間摩擦力就會急劇增大。因此，要想用碳納米管研究宏觀尺度的超潤滑，必須首先制備出宏觀長度且具有原子級完美結(jié)構(gòu)的碳納米管。經(jīng)過近十年的努力，魏飛教授團(tuán)隊在碳納米管的制備方面取得了一系列突破，制備出了長達(dá)半米長的碳納米管，并且證明了碳納米管在長達(dá)數(shù)厘米的范圍內(nèi)沒有任何缺陷（相關(guān)工作曾多次發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《美國化學(xué)會—納米》（ACS Nano）、《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)等國際知名材料期刊上），這為研究宏觀尺度超潤滑提供了理想材料。

　　為了方便對超長的碳納米管的操縱，該團(tuán)隊還發(fā)展了單根碳納米管的納米顆粒標(biāo)記技術(shù)，從而實現(xiàn)了光學(xué)環(huán)境及掃描電鏡下對大尺度單根碳納米管的定位與操縱（相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2013, 4, 1727)和《納米尺度》(Nanoscale, 2013, 5, 6584)上），這為宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象的觀察和測量提供了條件。

　　在上述基礎(chǔ)上，他們首先在光學(xué)顯微鏡下通過用微弱氣流吹動碳納米管的方法觀察到了碳納米管管壁之間快速相對運動的奇妙現(xiàn)象，進(jìn)而在利用掃描電鏡下的微納米操縱平臺進(jìn)行雙壁碳納米管內(nèi)層的可控抽出，并測量了管壁間的超低摩擦力。他們發(fā)現(xiàn)，雙壁碳納米管的管壁之間存在著超低的摩擦力（只有1~4 nN），并且這種摩擦力與碳納米管的長度沒有關(guān)系，即無論多長的碳納米管，其內(nèi)層都可以被輕易地抽出來。他們演示了厘米長度碳納米管（長徑比為107）的內(nèi)層抽出，比以前報道的實現(xiàn)超潤滑的尺度（約10微米）提高了至少3個數(shù)量級。另外，發(fā)生相對滑動的兩個表面之間的剪切強度是表征其摩擦力大小的重要參數(shù)，本研究工作中得到的碳納米管管壁之間的剪切強度只有2~3 Pa，比之前所測得的剪切強度最小值（0.04 Mpa）降低了至少4個數(shù)量級。

　　審稿人評價說：“這是一項有趣的、并且是激動人心的工作：首次從實驗手段上證明了大氣環(huán)境下的宏觀尺度超潤滑現(xiàn)象！這項工作以其里程碑式的新穎發(fā)現(xiàn)確定無疑地證明了宏觀尺度超潤滑的存在，我認(rèn)為這是該工作最為重要和創(chuàng)造性的地方！毫無疑問，這是第一次觀察到從微觀到宏觀尺度下如此低的摩擦力。我還想指出這項工作在發(fā)展實驗技術(shù)方面所做出的原創(chuàng)性的工作。我認(rèn)為這項工作對于研究和控制摩擦力做出了重大的、創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)；并且堅信，這項工作將會激發(fā)超潤滑研究領(lǐng)域越來越多的實驗研究和技術(shù)應(yīng)用”。

　　這項工作為下一代全碳電子器件構(gòu)筑、超潤滑機械開發(fā)以及超高速微納米機械、電子器件制備提供了基礎(chǔ)。

　　這項研究工作由清華大學(xué)化工系魏飛教授課題組牽頭，與清華微納米力學(xué)研究中心張瑩瑩副教授、鄭泉水教授和北京大學(xué)信息學(xué)院陳清教授課題組合作完成。國家自然科學(xué)基金委員會和國家重大研究發(fā)展計劃資助了這項研究。